含分布式電源的配電網接地故障自動檢測方法

孫小磊，高 騫，楊俊義，薄 洞

(1.國網江蘇省電力有限公司連云港供電分公司，江蘇 連云港 222000； 2.國網江蘇省電力有限公司，江蘇 南京 210024； 3.北京國電通網絡技術有限公司，北京 100085)

分布式電源(Distributed Generation，DG)具有高環保性、靈活性以及可靠性，在電力系統中占據著不可或缺的地位[1-2]。分布式電源可以選擇不接地與接地2種方式，接地方式還可分為：直接接地和通過消弧線圈接地[3]。不管接地還是不接地，這3種情況下產生的故障電流特征都不相同。分布式電源和主網可以通過故障相直接提供接地電流，二者也可通過健全相來交換故障電流[4]。分布式電源不同尋常的接地方式影響著整個系統的零序阻抗，給配電網帶來了安全隱患，也增加了接地故障的檢測難度。

目前，對于分布式電源并網產生的故障和影響研究較多，文獻[5]提出基于BAS-IGA的含分布式電源配電網故障定位方法，生成初始群體，建立了遺傳算法的數學模型，并對3個遺傳算子進行優化，調整交叉變異率，通過遺傳迭代得到了最佳的結果，從而實現了對故障區域的準確定位。文獻[6]提出計及逆變型分布式電源的有源配電網單相接地故障分析，分析逆變型分布式電源故障電流特性，建立其故障等值模型，然后對零序電流特征分布進行了分析。雖然上述研究取得一定進展，但是對含分布式電源的配電網接地故障的研究卻鮮有涉及，基于此，本文提出了一種接地故障自動檢測方法。憑借S變換算法獲取配電網接地故障信號特征，為了使提取到的信號時頻能量更加聚集，引入控制參數，確保提取到的結果為精準特征；根據故障特征計算每條線路的暫態零序電流峰值，通過比較找出其中的故障線路；憑借線路的暫態能量比值判斷其是否發生接地故障。經實驗驗證，所研究方法不受分布式電源容量影響，實現了對配電網接地故障的有效檢測。

1 接地故障信號特征提取

在進行配電網接地故障檢測前，需要對故障信號進行特征提取，本文利用S變換算法來實現。S變換算法是指利用高斯窗函數，使窗寬度與頻率的倒數呈正比關系，從而避免了窗函數的選取，并改進了窗寬度固定的缺點。將定義為配電網接地信號，經S變換后為：

(1)

式中，τ為時間參數；t為時間；f為信號采樣頻率；e為采樣系數。

對于配電網中故障信號的局部特征可以實現更加精準的提取，在提取配電網故障信號時[7-8]，為了使提取到的信號時頻能量更加聚集，固定了高斯窗口的寬度，使提取到的配電網接地信號具有更優秀的時頻能量聚集性，實現更加精準的故障信號特征提取。引入量子遺傳算法來選取控制參數的最優值，利用時頻分布集中程度對進行定量選取[9]：

(2)

Mx(p)的值越小，說明能量分布的集中程度就越高，p值也就越接近最優值。

配電網接地信號經過S變換形成復時頻矩陣，可通過時頻圖像展現出來[10]。提取復時頻矩陣中的信息量，即配電網接地故障特征向量。

The frequencies of acupoints,meridians,acupoints distribution on different body parts and acupoints attribute were extracted and analyzed.

2 配電網接地故障自動檢測

分布式電源在接入饋線的過程中，零序電流高次諧波數量增加，此時通過積分運算來判斷線路是否出現故障，得出結果存在較大誤差[11]?；诖耍ㄟ^比較暫態能量比值的方式，實現配電網接地故障的自動檢測。

對比每條線路間的暫態電流峰值(絕對極大值)，明確幅值變化情況。如果僅考慮峰值而不考慮其他因素，由于峰值易受噪聲的影響，容易判斷失誤。所以，本文對每條線路的暫態信號真有效值[12]進行計算：

(3)

式中，ikj為配電網中第k條線路上的第j個采樣數據；Iok為配電網中第k條線路的暫態信號真有效值。

當參考線路僅與其中的一條線路呈現反極性時，說明這條線路出現了故障；如果所有線路都與參考線路出現了反極性[3-14]，則說明參考線路為故障線路。還有一種情況，就是所有線路與參考線路之間都是同極性，那么就可以判斷配電網出現了母線接地故障[15]。

僅比較暫態零序電流的幅值是無法實現母線接地故障檢測的，所以將饋線的暫態能量定義為：

(4)

式中，Ei為第i條饋線的暫態能量；T為檢測周期；n為對于饋線的采樣點數[16]；si為第i條饋線經S變換后形成的模矩陣。

綜上所述，對含分布式電源的配電網，可通過比較各條線路之間的暫態能量比值[17]是否大于1，來判斷線路存不存在母線接地故障。判斷依據可描述為：

(5)

式中，Ei-m為第i條饋線在采樣點m處的暫態能量值。

分析線路的特征頻帶，找出滿足λi>1的饋線，再比較這些饋線的λi值，找出最大值，最大值所對應的線路就是配電網中的故障線路。實現步驟為：①時刻監測配電網中線路電流是否發生突變，以此判斷是否有線路發生故障，如果有，記錄故障相鄰周期內所有饋線的零序電流[18]；②利用S變換算法提取配電網中接地故障信號特征，通過公式(5)計算每條線路的暫態能量值[19]；③遍歷所有值，找出最大的3個值，從大到小的順序排列，得到λa、λb、λc。當λa>λb+λc時，則認定配電網發生了母線接地故障[20]。具體實現過程如圖1所示。

圖1 配電網接地故障檢測流程Fig.1 Grounding fault detection flow chart of distribution network

3 仿真實驗

為了驗證本文提出的配電網接地故障檢測算法在實際中是否同樣有效，設計了仿真實驗。利用Matlab搭建了含DG的配電網接地系統，具體如圖2所示。其中，線路主電源為10 kV，配電網線路選擇的是PI型線路。消弧線圈的電感L=0.869 7 H。4條線路的長度分別為13、17、15、15 km。

在L3線路上的1 km處添加1組A相接地故障信號，DG接入在L4線路上，額定容量8 MVA。用式(6)計算每條線路間的暫態能量比值：

(6)

由此，也可以判定L3線路發生了故障。其中配電網接地故障檢測現場施工如圖3所示。

圖2 含DG的配電網接地系統Fig.2 Distribution network grounding system with DG

圖3 配電網接地故障檢測現場施工Fig.3 Site construction drawing of distribution network grounding fault detection

根據配電網接地故障檢測現場施工情況，分析配電網接地故障。當配電網中三相斷路器斷開時，就發生了A相接地故障。利用本文方法，對故障發生的相鄰2個周期做S變換，獲得復時頻矩陣。

本文構建的配電網接地系統采樣頻率為20 kHz，采樣次數為270次。發生A相接地故障的情況大致分為2種：①中性不接地，故障的初始相角為30°；②中性點通過消弧線圈接地，故障的初始相角為90°。通過本文接地故障檢測算法對以上2種情況展開實驗分析，第1種故障下4條線路的暫態能量值比較結果見表1。從表1中可以很清楚地看出，L1、L2和L4三條線路的暫態能量值相差較小，只有L3線路的暫態能量值相差較大。所以，L3線路的故障特征最為明顯，可判斷該條線路出現故障。

表1 中性點不接地情況下4條線路的暫態能量值Tab.1 Transient energy values of 4 lines without neutral grounding

對中性點直接接地情況下進行實驗驗證，4條線路的暫態能量值如圖4所示。

圖4 中性點消弧線圈接地情況下4條線路的暫態能量值Fig.4 Transient energy value of 4 lines when neutral arc suppression coil is grounded

通過圖4可以很明顯地看出，在同一采樣點處，L3線路與其他3條線路相比，暫態能量值波動起伏最大，并且與其他線路之間的能量值差異也最大。同時，其他3條線路之間的能量變化曲線波動幅度大致相同。由此可以證明，L3線路發生了故障。

當僅改變配電網中含有DG的容量、其他條件不變時，再次對本文方法進行實驗驗證。調整L4線路中DG的容量，利用本文方法計算4條線路的暫態能量比值，實驗結果如圖5所示。

圖5 4條線路在DG不同容量下的暫態能量比值Fig.5 Transient energy ratio of 4 lines under different DG capacities

從圖5中可以看出，配電網中DG的容量變化并不會影響本文方法對故障線路的檢測，依然可以準確地判斷L3線路發生了故障。

4 結語

在含DG的配電網中出現接地故障是極為普遍的，尤其是發生單相接地故障時，會導致線路中的零序電流變得極其微弱。但是在故障發生的瞬間，暫態電流信號幅度會突然增大，通過比較峰值即可檢測出故障。本文基于這一思路，先利用S變換提取得到配電網接地故障信號特征，再比較線路中暫態零序電流峰值，判斷線路是否發生故障。對于母線接地故障，通過比較暫態能量比值的方法來實現。通過仿真實驗驗證，本文方法可有效檢測出配電網接地故障，且不受分布式電源容量的影響。